Utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST), investigadores de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) descubrieron un "planeta extraño" sin precedentes: PSR J2322-2650b. No sólo orbita alrededor de un púlsar, sino que también tiene una atmósfera casi de "carbono puro" y una estructura material que puede estar cristalizando en diamantes internamente. Se describe como "un tipo de planeta completamente inesperado".
El Telescopio James Webb es actualmente el telescopio espacial infrarrojo más potente del mundo. Fue desarrollado conjuntamente por la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense. Estudia principalmente planetas más fríos, zonas polvorientas difusas y galaxias extremadamente distantes mediante la observación de la banda infrarroja. Estos objetivos suelen ser difíciles de ver directamente con telescopios ópticos comunes. En esta observación, el Telescopio Webb fijó un exoplaneta llamado PSR J2322-2650b, que tiene aproximadamente la misma masa que Júpiter pero orbita alrededor de un púlsar, lo cual es extremadamente raro en los sistemas planetarios conocidos.
El llamado púlsar es un tipo de estrella de neutrones que gira rápidamente. Es el núcleo denso que queda tras la explosión de supernova de una estrella masiva. Puede ser más grande que el sol en masa, pero sólo del tamaño de una ciudad. Los púlsares emiten rayos de radiación electromagnética en la dirección de sus polos magnéticos. A medida que giran, estos haces de radiación barren el cielo como un faro, mostrando así señales de pulso periódicas en las observaciones. Actualmente, solo se han descubierto un puñado de planetas conocidos por la comunidad astronómica orbitando púlsares, y PSR J2322-2650b es completamente diferente en composición y estructura de objetivos similares registrados anteriormente.
Los resultados de las observaciones muestran que la atmósfera del planeta está compuesta principalmente de helio y carbono, en lugar de agua, metano y otras moléculas comunes en la mayoría de los exoplanetas. El equipo de investigación científica detectó carbono molecular en su espectro atmosférico, especialmente C₂ y C₃. Este tipo de moléculas compuestas por átomos de carbono unidos directamente es extremadamente raro en las atmósferas planetarias, porque normalmente, el carbono prefiere combinarse con oxígeno o hidrógeno para formar compuestos como dióxido de carbono o metano. Los investigadores señalaron que la proporción atmosférica de carbono a oxígeno del planeta supera los 100, y la proporción de carbono a nitrógeno es incluso superior a 10.000, superando con creces a la mayoría de los exoplanetas conocidos, lo que significa que su atmósfera casi puede considerarse como un "ambiente altamente rico en carbono".
Peter Gao, científico del Laboratorio Planetario y Terrestre Carnegie que participó en el estudio, dijo que cuando el equipo vio los datos por primera vez, "apenas podían creer lo que veían" y lamentó que "este no es el tipo de atmósfera planetaria que esperábamos en absoluto". Michael Zhang, de la Universidad de Chicago, señaló que el púlsar que orbita el planeta es extremadamente especial en sí mismo: "cerca de la masa del Sol, pero sólo del tamaño de una ciudad", y el tipo de atmósfera de PSR J2322-2650b "es una nueva categoría que nunca antes se había visto".
En condiciones extremas de temperatura y presión, el planeta adquiere un aspecto aún más extraño. Las investigaciones muestran que existe una enorme diferencia de temperatura entre el día y la noche: la temperatura en el lado nocturno es de aproximadamente 1200 grados Fahrenheit (aproximadamente 650 grados Celsius), y la temperatura en el lado diurno llega a aproximadamente 3700 grados Fahrenheit (aproximadamente 2000 grados Celsius). En un entorno así, hay nubes de polvo de carbono parecidas al hollín flotando en la atmósfera. Los investigadores especulan que bajo la enorme presión dentro del planeta, estas nubes de polvo de carbono pueden transformarse gradualmente en estructuras cristalinas como diamantes, y el proceso de cristalización del carbono puede estar ocurriendo en las profundidades del planeta.
Roger Romani, de la Universidad de Stanford, explicó que a medida que la estrella compañera se enfría, la mezcla de carbono y oxígeno de su interior comienza a cristalizar y los cristales de carbono puro "flotan" hacia las capas superiores y se mezclan con el helio, que es la fuente de las características atmosféricas observadas en las observaciones. También señaló que todavía es un gran misterio explicar por qué el oxígeno y el nitrógeno quedan excluidos de este proceso. "Debe haber algún mecanismo clave para 'bloquearlos'. Éste es un problema que aún no se ha resuelto".
Desde la perspectiva de la estructura de la vía, este sistema también lleva una "etiqueta extrema". PSR J2322-2650b está a sólo 1 millón de millas de su púlsar. En comparación, la distancia promedio entre la Tierra y el Sol es de aproximadamente 100 millones de millas, que es cien veces esa distancia. En una órbita tan estrecha, el planeta sólo tarda unas 7,8 horas en completar una revolución (su año), que es mucho más corto que un año terrestre.
Los fuertes efectos de las mareas gravitacionales hacen que el planeta sea "jalado" hacia una forma parecida a la de un limón en lugar de una esfera aproximada. La gravedad es la fuerza básica que hace que los objetos con masa se atraigan entre sí. Cuando un cuerpo celeste denso está muy cerca de su estrella compañera y tiene una enorme disparidad de masa, la fuerza de marea producirá una diferencia de tensión significativa dentro de la estrella compañera, lo que provocará una deformación general. Este fenómeno es particularmente obvio en PSR J2322-2650b.
El equipo de investigación científica cree que este sistema puede estar relacionado de alguna manera con el llamado sistema de "viuda negra" en astronomía. Los sistemas "Viuda Negra" suelen estar compuestos por un púlsar y una estrella compañera cercana. El púlsar "canibaliza" continuamente el material de la estrella compañera mediante una intensa radiación y un flujo de partículas de alta energía, y eventualmente sólo puede quedar un núcleo remanente muy denso. Sin embargo, en este descubrimiento, PSR J2322-2650b tiene una masa inferior a 13 masas de Júpiter, por lo que se clasifica oficialmente como un exoplaneta, no un "compañero" en el sentido de un residuo estelar.
En cuanto a su mecanismo de formación, también es difícil aplicar los modelos teóricos existentes a este planeta. Zhang señaló que, a juzgar por la composición observada actualmente, este cuerpo celeste obviamente no se forma mediante la agregación gradual de gas y polvo en el disco protoplanetario alrededor de una estrella joven como un "planeta ordinario", porque su composición química atmosférica es completamente diferente a la de los planetas ordinarios. Al mismo tiempo, resulta problemático tratarlo como el núcleo remanente de una estrella despojada del sistema "Viuda Negra", porque los procesos de física nuclear existentes no apoyan la formación de objetos casi de "carbono puro", por lo que nuestra comprensión de su origen es todavía muy preliminar.
Este descubrimiento fue posible gracias a la aguda visión del Telescopio Webb en la banda infrarroja. La luz infrarroja puede penetrar las nubes de polvo del universo y ayudar a los astrónomos a observar objetivos más fríos y oscuros. El propio púlsar emite principalmente rayos gamma y partículas de alta energía. Estas radiaciones están fuera de la banda de trabajo de Webb y, por lo tanto, no interferirán con las mediciones espectroscópicas infrarrojas de las atmósferas planetarias.
Al analizar la huella espectral de un planeta en diferentes longitudes de onda, los científicos pueden inferir qué átomos y moléculas están presentes en su atmósfera y estimar parámetros clave como la temperatura, la composición química y la estructura de presión. Maya Beleznay, de la Universidad de Stanford, señaló que en este sistema los investigadores "sólo pueden ver el espectro del planeta iluminado por el púlsar, y casi nunca ven directamente el púlsar". Esto proporciona condiciones poco comunes para obtener señales espectrales limpias y claras, lo que otorga a este sistema ventajas únicas en la investigación de exoplanetas.
El número total de exoplanetas confirmados es de unos 6.000. Entre esta gran muestra, PSR J2322-2650b es el único objetivo que forma una combinación tan peculiar entre las características orbitales de un "Júpiter caliente" y las propiedades de un "compañero púlsar". Su inusual atmósfera rica en carbono, su composición química extrema, su forma en forma de limón estirada por la gravedad y su estructura dinámica inusualmente compacta constituyen una muestra planetaria sin precedentes, que plantea nuevas preguntas sobre cómo los planetas se forman, evolucionan e incluso sobreviven en ambientes cósmicos extremos. También abre nuevas direcciones de observación para futuras investigaciones en ciencia planetaria y astrofísica de altas energías.